考研笔记

I/O 设备

第 5 章处理的是操作系统与外部世界打交道的那一部分。它之所以比前四章更容易显得零碎，是因为这里的名词大多来自硬件——控制器、通道、端口、寄存器——而不是像进程、页面那样的软件抽象。

读这一章的正确姿势是先把”一条 I/O 路径”立起来：

CPU → （通道）→ 设备控制器 → 设备

后面所有的名词都挂在这条路径的某一段上，包括本节的端口与寄存器、5.1.2 的四种控制方式、5.2.3 的四张控制表。先记住这条路径，名词就有了位置。

机制

I/O 设备的三种分类

按信息交换的单位分为块设备与字符设备。块设备如磁盘，信息以数据块为单位存取，有结构、可寻址，传输速率较高，能采用 DMA 方式。字符设备如键盘、打印机，信息以字符为单位，无结构、不可寻址，传输速率低，常采用中断驱动方式。

按传输速率分为低速设备（键盘、鼠标，每秒几到几百字节）、中速设备（行式打印机）、高速设备（磁盘，每秒数百 KB 到数十 MB）。

按设备的共享属性分为独占设备（一段时间内只允许一个用户访问，如打印机）、共享设备（可由多个进程同时访问，如磁盘）、虚拟设备（通过 SPOOLing 技术把独占设备改造成可共享的）。

设备控制器

设备控制器（I/O 接口）是 CPU 与 I/O 设备之间的中间层，它的存在理由很直接：CPU 无法直接驱动千差万别的物理设备——磁盘要控制磁头、打印机要控制走纸、键盘要扫描按键，若这些细节都由 CPU 处理，CPU 就没法干别的了。

控制器由三部分组成，这三部分正好对应”上接 CPU、下接设备、中间干活”：

① 设备控制器与 CPU 的接口——用于实现 CPU 与控制器之间的通信，有三类信号线：数据线传送读写数据、控制信息和状态信息；地址线传送要访问的 I/O 接口中的寄存器编号；控制线传送读写等控制信号。

② 设备控制器与设备的接口——一个控制器可连接一台或多台设备，因此可以有多个这样的接口，每个接口中都有数据、控制和状态三种信号。

③ I/O 逻辑——用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与 CPU 交互，对收到的命令进行译码，再根据译码结果去控制设备。

疑问点：设备控制功能的实际执行部件

  1. 在设备控制器中用于实现设备控制功能的是（　）。 A. CPU　B. 设备控制器与处理器的接口　C. I/O 逻辑　D. 设备控制器与设备的接口

  2. 为了便于上层软件的编制，设备控制器通常需要提供（　）。 A. 控制寄存器、状态寄存器和控制命令　B. I/O 地址寄存器、工作方式状态寄存器和控制命令 C. 中断寄存器、控制寄存器和控制命令　D. 控制寄存器、编程空间和控制逻辑寄存器

第一题答案 C，第二题答案 A。

第一题考的是三部分的分工：两个”接口”只负责连通（一个连 CPU、一个连设备），真正对命令译码并实施控制的是 I/O 逻辑。CPU 只是发出命令，不参与设备控制的细节。

第二题问的是”为了便于上层软件的编制”，即软件能看到什么。软件通过读写寄存器与控制器打交道：往控制寄存器里写命令、从状态寄存器里读设备状态，配合一组控制命令。选项 B、C、D 里的”编程空间""控制逻辑寄存器”等都不是标准部件。

补充：分清“三类寄存器”与“软件控制接口”

  • 问 CPU 与设备控制器接口中的三类寄存器：答数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器，侧重硬件组成。
  • 问 为了便于上层软件编制，需要提供什么：本题选 A：控制寄存器、状态寄存器和控制命令，侧重软件如何控制设备：写控制信息、读设备状态，以及有哪些可用操作（如读、写、复位）。控制命令是操作约定，不是另一类寄存器。

没有列出数据寄存器，不代表控制器没有它，也不代表软件不能访问它；这里只强调控制设备所需的接口。记住：数据寄存器解决“数据怎么传”，控制寄存器＋状态寄存器＋控制命令解决“软件怎么管设备”。

图中”I/O 逻辑与控制电路”一栏的”他址译码”应为”地址译码”，是配图生成时的笔误。

设备控制器的六项功能

接收和识别命令（CPU 发来的多种命令，控制器要能识别）、数据交换（CPU 与控制器、控制器与设备之间）、标识和报告设备状态、地址识别（识别自己所控设备的地址）、数据缓冲（因为设备与 CPU 速率差异巨大）、差错控制。

其中”数据缓冲”值得单独记：它是控制器自带的一小块存储，用来抹平 CPU 与设备之间的速度差。这与 5.2.2 讲的内存缓冲区是同一动机在不同层次上的两次实现。

I/O 端口与两种编址方式

I/O 端口是设备控制器中可被 CPU 直接访问的寄存器，主要有三类：数据寄存器（实现 CPU 与外设之间的数据缓冲）、状态寄存器（获取执行结果和设备状态，只读）、控制寄存器（由 CPU 写入，以设置工作方式或启动/停止设备）。

要让 CPU 能访问这些端口，必须给它们编址，有两种做法：

独立编址——为每个端口分配一个 I/O 端口号，所有端口构成 I/O 端口空间，与内存地址空间分开，普通用户程序不能访问，只有操作系统使用特殊的 I/O 指令才能访问。

内存映射 I/O（统一编址）——把 I/O 端口当作存储单元对待，给它们分配内存地址空间中的一段地址。CPU 用普通的访存指令就能操作 I/O 端口，不需要专门的 I/O 指令。

两者的取舍很清楚：独立编址下 I/O 指令是特权指令，保护天然更严；内存映射 I/O 则指令系统更简洁、编程更方便，代价是要靠地址空间的划分来做保护。

I/O 通道

疑问点：控制器与通道的作用及其相互关系

控制器与通道各自的作用是什么，两者的关系如何。

通道是一种特殊的处理机，它有自己的指令系统（通道指令），能够执行存放在主存中的通道程序，从而独立完成一整批 I/O 操作。

理解通道的关键是问”它替谁分担了什么”：

没有通道时，CPU 每完成一次数据传送就要被打断一次（中断驱动），或者每传完一个数据块被打断一次（DMA）。块数一多，CPU 仍然要频繁被中断。

有了通道之后，CPU 只需向通道发出一条 I/O 指令，指明通道程序在内存中的位置和要操作的设备，通道就会自己把整批操作做完（可能涉及多个数据块、多台设备），做完之后才向 CPU 发一次中断。

所以三者的关系是一条严格的层级委托链：

CPU 委托通道完成”一批操作” → 通道委托控制器完成”一次操作” → 控制器直接驱动设备。

每往下一层，粒度就细一级，被打扰的次数就少一个数量级。 一个通道可以连接多个设备控制器，一个控制器可以控制一台或多台设备。

疑问点：属于硬件机制的技术

  1. 在操作系统中，（　）指的是一种硬件机制。 A. 通道技术　B. 缓冲池　C. SPOOLing 技术　D. 内存覆盖技术

答案 A。 通道是一个真实存在的处理机部件，要花钱买的硬件。

其余三项都是软件手段：缓冲池是操作系统在内存中划出来的一片区域并配上管理算法；SPOOLing 是靠磁盘上的输入井输出井加两个系统进程实现的（见 5.2.4）；内存覆盖技术是由程序员划分覆盖段、由操作系统装入的软件方案。

判据很简单：能不能在主板上指出它在哪。

边界

字符设备的”不可寻址”体现在哪里

疑问点：字符设备不可寻址的具体表现

字符设备的不可寻址体现在哪里。

“不可寻址”的意思是：这类设备上的数据没有”位置”这个概念，因而无法指定要读写的地址。

块设备之所以可寻址，是因为它的数据是”存放着的”——磁盘上第 100 块永远在那里，只要不覆盖，今天读和明天读得到的是同一份内容，所以可以说”给我第 100 块”。

字符设备的数据是”流过去的”。键盘敲下的字符、串口传来的字节，它们没有编号，也不在设备上驻留：读走就没了，没读走就在缓冲区里排队。因此”读第 5 个字符”这句话在字符设备上根本无法定义——第 5 个是相对于什么时候而言的？

由此推出一系列后果：字符设备只能顺序存取，不能随机访问；它无结构（没有”块”这个划分单位）；它的操作是 get/put 这种”取下一个”的形式，而不是块设备的”读第 N 块”。

这条判据也是下面那道选择题的解题依据。

共享设备必须可寻址

疑问点：设备属性的正确表述

  1. 下列关于设备属性的叙述中，正确的是（　）。 A. 字符设备的基本特征是可寻址到字节，即能指定读/写操作的字节地址 B. 共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备 C. 共享设备是指同一时刻内允许多个进程同时访问的设备 D. 在分配共享设备和独占设备时都可能引起进程死锁

答案 B。

B 为什么对：共享意味着多个进程交替使用同一台设备。若设备不可寻址，进程甲读到一半被打断、进程乙插进来读，甲回来后无法回到自己原来的位置——数据流已经被搅乱了。只有可寻址、可随机访问，各进程才能各自记住自己的位置、互不影响。 这也解释了为什么磁盘是典型的共享设备，而打印机不是。

A 错：字符设备恰恰不可寻址，见上一条。

C 错在”同一时刻”。共享设备是宏观上多个进程同时访问、微观上交替访问——任一瞬间仍只有一个进程在真正使用它。这与并发与并行的区别是同一回事。

D 错：只有独占设备才可能引起死锁。死锁的四个必要条件之一是互斥条件，而共享设备根本不需要互斥占用，不满足互斥条件就不会死锁。

数据线上的”控制信息”与控制线上的”控制信号”

疑问点：数据线传送的控制信息与控制线传送的控制信号的区别

教材原文：“数据线传送的是读/写数据、控制信息和状态信息；控制线传送的是读/写等控制信号。” 两处的”控制”有何区别。

判据是：控制线传的是”现在做哪一类总线动作”，数据线传的控制信息是”具体做什么”。

控制线上的控制信号是硬件时序信号，取值只有寥寥几种——读、写、中断请求、总线请求之类。它由硬件电路直接解释，不经过任何软件，作用是告诉总线上的各方”这一拍是读周期还是写周期”。

数据线上的控制信息是一条给设备的命令字，例如”磁头移动到第 30 道""以 9600 波特率工作""开始打印”。它本质上是一串数据，由 CPU 通过一次写操作送进控制器的控制寄存器，再由 I/O 逻辑译码后转成对设备的具体动作。

把两者串起来看就清楚了：CPU 要让磁盘寻道，会先在控制线上发出”写”信号（告诉控制器这是一次写寄存器的操作），同时在地址线上给出控制寄存器的编号，并在数据线上送出”寻道到第 30 道”这条命令。控制线决定了这次总线操作的性质，数据线承载了操作的内容。

通道、控制器、DMA 控制器的层次

三者常被并列比较，但它们不在同一层：

通道是处理机级的，能执行通道程序，可以自主完成一批操作。

DMA 控制器是数据块级的，只能在一次配置下搬运一个（或一组连续的）数据块，搬完就要中断 CPU。

设备控制器是设备级的，负责把命令译码成对某一台具体设备的动作。

规律是：越往上，一次委托能完成的工作越多，CPU 被打扰得越少。 这条规律就是 5.1.2 四种控制方式演进的主线。

对照速查

分类口径类别
按信息交换单位块设备（有结构、可寻址、可 DMA）／字符设备（无结构、不可寻址、常用中断）
按传输速率低速（键鼠）／中速（打印机）／高速（磁盘）
按共享属性独占（打印机）／共享（磁盘）／虚拟（SPOOLing 造出来的）
设备控制器三部分作用
与 CPU 的接口数据线、地址线、控制线
与设备的接口数据、控制、状态三种信号；可有多个
I/O 逻辑对命令译码并实施控制（真正干活的）
I/O 端口三类寄存器用途
数据寄存器CPU 与外设之间的数据缓冲
状态寄存器获取状态，只读
控制寄存器CPU 写入，设置工作方式 / 启停设备
编址方式特点
独立编址单独的 I/O 端口空间，需专门的 I/O 指令，保护天然更严
内存映射 I/O占用内存地址空间，用普通访存指令，编程方便
层次一次委托的粒度完成后
通道一整批操作（多块、多设备）才中断 CPU 一次
DMA 控制器一个数据块中断 CPU 一次
设备控制器一次设备动作—

考点

  • 块设备可寻址、可 DMA；字符设备不可寻址、只能顺序存取
  • 共享设备必须可寻址且可随机访问（否则各进程的位置会互相搅乱）
  • 共享设备是宏观上同时、微观上交替；只有独占设备会引起死锁
  • 控制器三部分中，I/O 逻辑才是实施控制的部件
  • 便于上层软件编制的是控制寄存器、状态寄存器和控制命令
  • 状态寄存器只读，控制寄存器由 CPU 写
  • 通道是硬件；缓冲池、SPOOLing、覆盖技术都是软件
  • 控制线传总线动作的性质，数据线传命令的内容
  • 委托链：CPU → 通道（一批）→ 控制器（一次）→ 设备

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